DE4035323C2 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen, insbesondere von mit Geweben aus Hochleistungsfasern verstärkten Faserverbundwerkstoffen mit sphärisch geformten komplexen Körperkonturen.

Faserverbundwerkstoffe werden in zunehmendem Maße in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Maschinen- und Fahrzeugbau eingesetzt.

Faserverbundwerkstoffe mit verstärkenden eingelagerten Geweben lassen sich nach den bisher bekannten Verfahren wirtschaftlich nur als Matten oder Platten herstellen. Eine Verformung solcher gewebeverstärkter Kunststoffbauteile ist nur in begrenztem Maße möglich. Da die Verstärkungsfasern nur eine Dehnung von maximal bis zu 3% aufweisen, bevor sie durch Sprödbruch versagen, kann eine Verformung eines gewebeverstärkten Kunststoffbauteils nur durch Scheren des Gewebes erfolgen. Jedoch ist das Maß der Verformung sehr gering. Darüber hinaus muß bei dieser Art der Verformung berücksichtigt werden, daß sich beispielsweise bei einer Streckung in Längsrichtung die Breite des Bauteils verringert.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen und gewebeverstärkte Bauteile mit einer ausgeprägten dreidimensionalen Kontur herzustellen, hat man bereits versucht, vorgeformte Gewebe auf speziellen Sondermaschinen herzustellen. Die Handhabung und Verarbeitung dieser vorgeformten Gewebe bereiten jedoch erhebliche zusätzliche Probleme (Zeitschrift GAK 7/1990 Seiten 374-382).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem gewebeverstärkte Kunststoffbauteile hergestellt werden können, die um mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 50% durch Recken etc. verformt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst Stränge aus Kunststoffmaterial hergestellt werden, daß die Stränge mit den Fasern in Form einer Wendel bewickelt werden, daß die bewickelten Stränge zu einem Gewebe verarbeitet werden, daß das Gewebe in einer Kunststoffmatrix eingebettet wird und abschließend die Kunststoffmatrix und das Gewebe zu dem Teil mit der gewünschten Körperkontur umgeformt werden. Das Umformen erfolgt durch Recken. Beim Reckvorgang wird die auf den Kunststoffstrang aufgewickelte Verstärkungsfaser gereckt, d. h. die Steigung wird unendlich groß und die Faser liegt in dem Faserverbundwerkstoff in der optimalen gestreckten Form vor. Die Verformung erfolgt im thermoplastischen oder thermoelastischen Zustand, so daß sich die in der Kunststoffmatrix befindlichen Fasern frei in dieser bewegen können.

Das Bewickeln der Kunststoffstränge mit den hochfesten Fasern kann in an sich bekannter Technik durch eine Bespinnvorrichtung vorgenommen werden. Das Verarbeiten zu dem Gewebe erfolgt auf üblichen Webmaschinen, wobei je nach Anforderung eine Leinen-, Köper- oder Atlasbindung bevorzugt wird. Das Einbetten des Gewebes kann durch Kaschieren, Extrusionslaminieren oder andere Kunststoffbeschichtungsverfahren durchgeführt werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Faser auf einen Kunststoffstrang mit sich veränderndem Durchmesser aufgewickelt. Alternativ wird die Faser auf den Kunststoffstrang mit sich ändernder Steigung bzw. Schlaglänge aufgewickelt. Beide Vorgehensweisen bewirken, daß auf eine bestimmte Länge des Kunststoffstranges eine unterschiedliche Länge an Fasern aufgewickelt ist. Damit lassen sich genau definierte "Reckreserven" in den Strang und damit das Gewebe einbringen.

Das Gewebe kann in einem getrennten vorgeschalteten Reck- Dehnprozeß in die gewünschte Form gebracht und anschließend in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Vorteilhafter erscheint es jedoch, das Gewebe zunächst in die Kunststoffmatrix einzubetten und dann den Umformprozeß durchzuführen oder aber Einbettungs- und Umformprozeß gleichzeitig ablaufen zu lassen. Wesentlich ist, daß der Einbettungs- und der Umformungsprozeß bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise oberhalb 120°C durchgeführt werden.

Wesentlich ist ferner, daß beim Umformvorgang alle Fasern des Gewebes über die gesamte Fläche gereckt werden und in gestreckter Form vorliegen, damit ein Optimum an Verstärkung erreicht wird. Wenn in einem bestimmten Flächenbereich die "Dehnungsreserve" eines Fadens oder mehrerer Fäden erhalten bleibt, ist in diesem Bereich die gewünschte Steifigkeit nicht vorhanden. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Kunststoffmatrix unter Belastung zu fließen beginnt.

Durch die o.a. Möglichkeit, während des Umspinnens der Verstärkungsfaser um den Kunststoffstrang die Steigung der Verstärkungsfaser zu verändern und damit unterschiedliche Reckreserven vorzugeben, lassen sich im Gewebe Flächenbereiche mit unterschiedlichen Reckreserven, d. h. unterschiedlicher Verformbarkeit herstellen. Diese Vorgehensweise ist besonders vorteilhaft bei der Serienherstellung von Artikeln aus Faserverbundwerkstoffen.

Häufig ist es von Vorteil, mehrere Lagen des reckbaren Gewebes in die Matrix einzubetten, um eine für die unterschiedlichsten Belastungsfälle geeignete Verstärkung in das Material einzubringen.

Die Gewebeart und die Dichte des Gewebes können frei gewählt und auf den Bedarfsfall ausgerichtet werden. Als Verstärkungsfaser kann nahezu jedes beliebige spinn- oder wickelbare Material verwendet werden, z. B. Textil, Glas, Kohlenstoff, Metall bzw. auch Kombinationen aus diesen Materialien. Die Verstärkungsfaser kann dabei in gefachter oder gezwirnter Form vorliegen.

Die Kett- und Schußfäden des Gewebes haben vorzugsweise Bewicklungen aus unterschiedlichen Verstärkungsfäden, damit eine optimale Anpassung bei unterschiedlichen Belastungsrichtungen zu erzielen ist.

Die Erfindung ist anhand der in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen mit einer Faser umwickelten Kunststoffstrang, mit wechselnder Steigung des aufgewickelten Fadens,

Fig. 2 einen Kunststoffstrang mit Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers,

Fig. 3 ein Band aus einer Kunststoffmatrix, in welcher ein Gewebe aus Kunststoffsträngen nach Fig. 1 oder Fig. 2 eingebettet ist,

Fig. 4 ein verformtes faserverstärktes Kunststoffbauteil.

Die Fig. 1 zeigt einen Kunststoffstrang 1, z. B. aus Polyethylen, der mit einer Faser 2 wendelartig bewickelt ist. Die Faser 2 besteht aus einem hochfesten Material und ist beispielsweise eine Glas-, Kohlenstoff-, Metall- oder Textilfaser, wie z. B. eine Baumwollfaser. Auch Fasern aus hochwertigem Kunststoff, wie z. B. Polyaramid sowie eine kombinierte Faser aus unterschiedlichen Einzelfasern ist denkbar. So könnte die Faser 2 beispielsweise aus Glasfasern und Metallfasern, die miteinander verzwirnt oder gefacht sind, aufgebaut sein.

Der mit der Faser 2 bewickelte Strang 1 ist dehnbar, insbesondere bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Strangmaterials, und zwar in einem Ausmaß, bis die an sich nicht dehnbare Faser 2 in gestrecktem Zustand vorliegt. Durch die wendelförmige Anordnung der Faser 2 auf dem Strang 1 entsteht somit eine "Dehnungsreserve". Die Größe der Dehnungsreserve ist abhängig von der Steigung mit welcher die Faser 2 auf den Strang 1 aufgewickelt ist und vom Durchmesser des Stranges 1.

Insbesondere bei größeren Steigungen können auch mehrere Fasern 2 auf den Strang 1 aufgewickelt sein.

Die Faser 2 kann in bestimmten Bereichen mit kürzerer Steigung wie bei 2a dargestellt und in anderen Bereichen wie bei 2b mit größerer Steigung aufgewickelt werden. Dadurch entstehen unterschiedliche Dehnungsreserven. Derartige unterschiedliche Dehnungsreserven können auch dadurch erzeugt werden, daß die Faser 2 auf einen Strang 1 mit Bereichen größeren und kleineren Durchmessers 1a und 1b aufgewickelt wird (Fig. 2).

Der Strang 1 wird in nicht dargestellter Weise durch Extrusion von z. B. Polyethylen hergestellt und wird in einem nächsten Arbeitsgang mit der Faser 2 bzw. den Fasern 2 umsponnen. Die umsponnenen Stränge 1 werden dann zu einem Gewebe verarbeitet. Durch geeignete Anordnung der Bereiche 1a bzw. 2a mit größerer Dehnungsreserve läßt sich ein Gewebe herstellen, welches Bereiche mit größerer Verformbarkeit aufweist.

Das Gewebe wird in an sich bekannter Weise durch Extrusionslaminieren durch Kaschieren oder ähnliche bekannte Verfahren in einer Matrix 3 aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet (Fig. 3). Bei diesem Vorgang wird das Material des Stranges 1 mit dem Matrixmaterial verschweißt bzw. verschmolzen. Wird für den Strang 1 das gleiche Material verwendet wie für die Matrix 3, so wird der Strang 1 in die Matrix 3 eingebettet und ist als gesonderter Strang nicht mehr auszumachen. Die Faser 2 bzw. die Fasern verlaufen in Form einer Wendel in der Matrix 3. Aus einem so hergestellten Bauteil - wie es z. B. in Fig. 3 dargestellt ist - lassen sich beispielsweise dreidimensional verformte Gegenstände aus Kunststoff herstellen, die eine Gewebeverstärkung aufweisen.

In Fig. 4 ist ein Gegenstand im Schnitt dargestellt, der eine halbkreisförmige Ausbeulung 4 aufweist. Sowohl die Kett- als auch die Schußfäden liegen in dem fertig verformten Bauteil in allen Bereichen in gestreckter Form vor. Um dies zu erreichen, wird man zunächst mittels eines geeigneten nicht dargestellten Formwerkzeuges nach einer Erwärmung des zu verformenden Bereichs auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Kunststoffes die Ausbeulung 4 erzeugen. Anschließend werden die ebenfalls aufgeheizten Bereiche 5 biaxial gereckt, während die Ausbeulung in der Form verbleibt.

Ein anderes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Herstellung großflächiger gewebeverstärkter Kunststoffbänder bzw. -platten, die sich auf andere Weise nur mit großem Aufwand herstellen lassen.

Man geht deshalb von einem Gewebe aus, dessen Kett- und Schußfäden eine Dehnungsreserve von ca. 300% aufweisen. Das Gewebe mit einer Abmessung von z. B. 1,5 m × 1,5 m wird in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Anschließend wird das Werkstück biaxial bis auf eine Abmessung von 4,5 m × 4,5 m gedehnt. Auf Beschichtungsanlagen für großflächige Teile kann auf diese Weise verzichtet werden.

Für manche Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, wenn das gewebeverstärkte Bauteil abschließend einer Vernetzung unterworfen wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen, insbesondere von mit Geweben aus Hochleistungsfasern verstärkten Faserverbundwerkstoffen mit sphärisch geformten komplexen Körperkonturen, dadurch gekennzeichnet,
daß
zunächst Stränge aus Kunststoffmaterial hergestellt werden,
die Stränge mit den Fasern in Form einer Wendel bewickelt werden,
die bewickelten Stränge zu einem Gewebe verarbeitet,
das Gewebe in einer Kunststoffmatrix eingebettet und
abschließend die Kunststoffmatrix und das Gewebe zu dem Teil mit der gewünschten Körperkontur umgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser auf einen Kunststoffstrang mit sich veränderndem Durchmesser aufgewickelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser auf den Kunststoffstrang mit sich ändernder Steigung aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe zunächst in eine der Körperkontur entsprechende Form gebracht und anschließend in eine Kunststoffmatrix eingebettet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbett- und Verformungsvorgang gleichzeitig erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbett- und/oder Verformungsvorgang bei einer Temperatur von zumindest 120°C, vorzugsweise 150°C erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Umformvorgang alle Fasern des Gewebes in eine nahezu gestreckte Form gebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen des Gewebes übereinander in der Kunststoffmatrix angeordnet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kunststoffmatrix eingebettete Gewebe zumindest in einer Richtung um mehr als das 3fache gereckt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kett- und Schußfäden des Gewebes aus Kunststoffsträngen mit einer Bewicklung aus unterschiedlichen Fasern aufgebaut werden.